不连续界面相Al4C3对SiC/Al复合材料界面结合影响的第一性原理及实验

采用密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法,探讨了不连续界面相Al₄C₃对SiC/Al复合材料界面结合的影响,并与无界面新相生成时进行对比。研究表明,当Al(111)表面吸附C原子时,在Bridge位置上吸附C原子最为稳定;随着C覆盖率的增加,C原子吸附能逐渐减小;当界面相呈不连续分布时,界面由原来的SiC/Al转变为(SiC+Al₄C₃)/Al,界面黏着功由原来的0.851 J/m2增加至1.231 J/m2,这主要由于当C原子在Al表面吸附时,C原子和Al原子间形成共价键和离子键,且与界面处的Si原子也形成共价键,从而促进界面结合。利用第一性原理计算的SiC/Al和(SiC+Al₄C₃)/Al体系黏着功与实验值较为接近,且变化规律相同,具有较高的参考价值。      

基于第一性原理的α-Fe(001)/Mo2FeB2(001)界面性能的研究

采用第一性原理方法,研究了α-Fe(001)/Mo_2FeB_2(001)界面性能。建立了4种不同的原子堆垛方式界面模型,计算了其界面粘附功、界面结合能和断裂功。结果表明,以空心位置堆垛的Fe终端界面性能最稳定,而顶部位置的Fe+B终端界面性能最不稳定,两者的裂纹断裂均趋向于发生在基体相或硬质相内。在此基础上,进一步分析了空心位置Fe终端界面模型和顶部位置Fe+B终端界面模型的电子结构,电荷差分密度图显示在空心位置的Fe终端界面系统中,界面处Fe原子与Fe原子间形成金属键,界面处Fe原子与Mo原子间形成金属键。在顶部位置的Fe+B终端界面系统中,界面处的Fe原子与B原子间形成共价键,但界面强度比空心位置的Fe终端界面系统低。分态密度显示界面处原子间重新排列,发生杂化,形成共价键,揭示了界面成键特性。     

可见光驱动Z-scheme g-C3N4/α-Fe2O3催化剂高效产H2

作为一种新型的具有可见光响应的半导体光催化剂,g-C3N4在光催化产氢领域得到了广泛的研究。然而,纯g-C3N4存在可见光响应范围较窄、光生电子-空穴复合率高、量子效率低等问题。针对纯g-C3N4的缺陷,采用简单的水热合成法制备出一种高效纳米晶胶体g-C3N4/α-Fe2O3复合材料。为了检测g-C3N4/α-Fe2O3的光催化产氢性能,将其引入以NaBH4为底液的体系中。结果表明,当Fe质量分数为1%,体系温度为30℃、NaBH4浓度为50 mmol/L时,产氢量为30 mL。利用PL、EIS以及PC等手段对g-C3N4/α-Fe2O3的光电响应能力进行了分析。结果表明,g-C3N4/α-Fe2O3复合材料具有较低的光致发光强度、较高的光电流密度和较小的电荷转移电阻,说明了光生电荷载流子的有效分离和快速转移。另外,Z-scheme电荷转移途径赋予了g-C3N4/α-Fe2O3较强的氧化能力,为光催化裂解NaBH4提供了较大的驱动力。主要意义在于对光催化产氢有一个新认识,为合理设计和构建Z型光催化剂提供参考。     

反相乳液界面合成中空Fe3O4/SiO2磁性微胶囊

报道了一种简单合成中空Fe3O4/SiO2磁性微胶囊的方法,即以反相乳液的水滴作为形成中空结构的软模板,通过界面溶胶-凝胶过程,制备中空Fe3O4/SiO2磁性微胶囊。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、多晶粉末X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及磁滞回线测量等手段对样品的结构和性质进行表征和研究。XRD、SAED和FTIR分析结果表明,微胶囊由SiO2和Fe3O4磁性纳米粒子(MPs)组成。SEM和TEM观察结果表明,微胶囊具有中空结构,且SiO2壳层具有多孔特性。磁性能检测结果表明,微胶囊具有超顺磁性和磁响应性。通过对比实验,提出SiO2界面异相成核的中空磁性微胶囊的形成机理。     

Ti3C2Tx/Fe3O4纳米复合材料的吸波和电磁屏蔽性能与机制

在电磁屏蔽领域,铁氧体是常用的涂覆型吸波剂,但以Fe₃O₄为首的铁氧体存在一些不足。本研究采用冷冻干燥的方法成功制备了花苞状Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄复合材料,Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄复合材料的花苞状结构对电磁波的多重反射、界面极化和电磁耦合作用等使复合材料具有更好的微波吸收性能。当频率为6.74 GHz时,最小反射损耗达到-51.41 dB,对应的匹配厚度为2.8 mm,这意味着它可以吸收99.999 28%的电磁波。本研究中特殊的花苞状Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄复合材料表现出优异的吸波性能,在电磁屏蔽领域具有良好的应用前景。     

树枝状α-Fe2O3的制备与生长过程研究

以K4[Fe(CN)6]、PEG400和H2O2为原料,通过水热法制备了树枝状α-Fe2O3,并采用XRD、SEM、TEM、SAED和Raman技术对其微观形貌和结构进行了分析。研究发现α-Fe2O3树枝的主干生长方向为[101-0],分枝的生长方向为[11-00]和[011-0],进一步对树枝状α-Fe2O3的生长过程和形成机理进行了讨论。     

偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜结构、硬度和断裂韧性的影响

利用磁控溅射法在不同基底偏压条件下制备了CrN/Si3N4纳米多层膜,分别用X射线衍射仪、原子力显微镜及纳米压痕仪表征多层膜的微观结构及力学性能,结果表明,衬底偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜微观结构、界面结构、硬度和磨损性能有重要影响。漂浮电位时多层膜界面粗糙,CrN呈(200)、(111)共同生长,硬度和弹性模量低,有偏压且变化时界面宽度和粗糙度变化不大,硬度和模量变化的主要原因是不同衬底偏压下的晶格畸变导致两层材料弹性模量变化和晶粒尺寸变化。基底偏压的优化有助于改善涂层的屈服应力和断裂韧性。     

α-Fe_2O_3/Fe_3O_4复合负极材料的制备与电化学性能研究

通过固相反应法合成出α-Fe2O3/Fe3O4复合产物,利用XRD、Raman、SEM等技术和恒电流充放电方法,探讨了恒温反应时间对材料微观结构、形貌以及电化学性能的影响。研究表明,恒温反应时间对复合产物中各组分的相对含量、形貌与电化学性能影响较大;除首次循环外,复合负极材料在随后充放电过程中库伦效率可达96%以上,循环性能与倍率性能明显优于单相α-Fe2O3负极材料与Fe3O4负极材料。     

Na+掺杂对Li3V2（PO4）3/C晶体结构及性能的影响

利用一步碳热还原法制备了Li3-xNaxV2(PO4)3/C(x=0、0.01、0.02、0.03、0.05、0.08、0.10、0.15)复合正极材料,并用X射线衍射、扫描电镜、红外光谱、循环伏安法、电化学阻抗谱和恒电流充放电技术研究了掺杂对材料结构、微观形貌、充放电性能和Li+脱出嵌入过程的影响。研究表明掺杂少量Na+不影响材料Li3V2(PO4)3的基本结构,但可在Li3V2(PO4)3中形成电子缺陷,提高晶体内部原子的无序化程度,降低极化和电荷转移电阻,从而改善材料的电化学性能。与Li3V2(PO4)3/C相比,Li2.98 Na0.02 V2(PO4)3/C在倍率为15C下的第50次放电容量提高12.1mAh/g,具有较好的倍率性能和循环性能。     

掺杂纳米α-Fe2O3的微波合成与湿敏性能研究

采用微波法制备出一系列刚玉结构的掺杂Sn4+和Zn2+的-αFe2O3纳米粒子,并用厚膜工艺将粉体涂在陶瓷基片上制成湿敏元件。通过对粉体的XRD测试与分析发现,部分Sn4+和Zn2+以类质同象的方式进入到α-Fe2O3晶格中代替Fe3+,改变了-αFe2O3的晶胞参数,同时晶粒尺寸减小,达到微细化的效果。测试了元件在不同湿度下的电阻,结果表明掺杂提高了-αFe2O3的湿敏性。     

Ti掺杂β-Ga2O3电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Ti掺杂β-Ga2O3系统的电子结构和光学性质。计算结果表明,Ti替代八面体的Ga(2)时系统形成能最低,容易在实验上合成;Ti掺杂在导带底附近引入了浅施主能级,极大地提高了β-Ga2O3系统的导电性。Ti掺杂时稳定体系倾向于自旋极化态,且费米面处自旋极化率接近100%。光学性质的计算结果显示,Ti掺杂β-Ga2O3是极具潜力的n型紫外透明的半导体。     

热处理对Ni/Al2O3界面电子结构的影响

在多晶Al2O3基片上用射频磁控溅射法沉积Ni薄膜,将所得的样品N2气保护下在400℃和800℃保温30分种,采用光电子能谱配合Ar3+离子原位刻蚀的方法分析不同热处理样品原子沿纵深方向的化学状态.界面区域化学状态和化学组成的研究结果表明在本文的实验条件Ni在界面与Al2O3没有明显的化学状态变化,即对界面电子结构的影响不明显,但在高温(800℃)条件下存在Ni向Al2O3基片的扩散.     

柔性YAG-Al2O3纳米纤维膜负载C3N4的水处理性能研究

采用溶胶-凝胶法和静电纺丝技术制备了柔性钇铝石榴石-氧化铝(YAG-Al₂O₃)纳米纤维膜,然后使用尿素包埋法将石墨相氮化碳(g-C₃N₄)引入到纤维膜孔隙中,制备了自支撑光催化降解钇铝石榴石-氧化铝/氮化碳(YAG-Al₂O₃/C₃N₄)复合材料,表征了材料的形貌结构和力学行为,并研究了其在亚甲基蓝污水处理中的可见光催化降解性能。结果表明,YAG-Al₂O₃纳米纤维膜具有优异的柔韧性,YAG-Al₂O₃/C₃N₄复合材料在厚度方向具有良好的弹性,两者均为自支撑材料。100min内复合材料对亚甲基蓝的降解率可达96%以上,循环3次后降解率仍保持在94%左右。催化反应动力学符合Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型,说明复合材料具有长期稳定且高效的催化降解效果。     

三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的结构及第一性原理计算

以共沉淀法、喷雾干燥法制备了三元正极材料LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2,应用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,与实验制备的LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2进行对比,对3种不同的预想结构模型(堆叠结构、随机排列结构、超晶格结构)进行研究。实验结果表明,两种方法制备的三元材料都具有良好的层状结构,其中共沉淀法制备的层状结构更加明显,而喷雾干燥法制备的材料中过渡金属元素比更接近LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2的化学计量比。计算结果表明,随机排列的结构模型能量最低、最稳定,与实验制备的三元正极材料结构最为相似。     

Cu掺杂β-Ga2O3电子结构和磁学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,结合广义梯度近似研究了Cu掺杂β-Ga2O3系统的磁学特性。计算结果表明,单Cu的掺杂,稳定体系倾向于自旋极化态,且Cu替代八面体的Ga(B)时系统更稳定,容易在实验上形成;Cu掺杂β-Ga2O3呈现出半金属特性,Cu的掺杂引入了2.0μB磁矩,其中局域在Cu原子上的磁矩为0.45μB,其余主要来自于Cu杂质周围的氧原子。由于电荷补偿效应,在Cu掺杂β-Ga2O3系统中引入氧空位时,体系磁矩减小到零。在2个Cu取代Ga的10种构型中,A1-B3构型的能量最低,且显示出铁磁性,磁矩为3.8μB。考虑氧空位后,A1-B3构型的反铁磁性和铁磁性能量差增大,磁矩减小到1.0μB。     

高速电弧喷涂FeNiCrTiB/Cr3C2涂层的组织结构及其高温氧化行为

采用高速电弧喷涂技术制备FeNiCrTiB/Cr3C2耐高温金属陶瓷复合涂层。利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射等手段研究涂层的组织结构以及氧化产物,并与传统锅炉用钢20G钢对比,分析涂层的抗氧化机理。结果表明:FeNiCrTiB/Cr3C2涂层为典型的层状结构,且涂层上分布着少量的孔隙和氧化物;650℃氧化200h后涂层的氧化质量增量为1.58mg·cm-2,远小于20G钢的氧化质量增量(24.85mg·cm-2);涂层在氧化过程中生成致密的具有保护性的铁、铬的复合氧化膜,阻塞氧的扩散通道,阻止进一步氧化,从而提高涂层的抗高温氧化性能。     

锂离子电池正极材料Li3V2-2x/3Mnx（PO4）3的溶胶凝胶法合成和电化学性能

以CH3COOLi·2H2O、V2O5、Mn(CH3COO)2·4H2O、(NH4)2HPO4和蔗糖为原料,采用溶胶–凝胶法合成了掺锰磷酸钒锂/碳(Li3V2-2x/3Mnx(PO4)3/C)复合正极材料,用XRD、XPS、SEM、电化学性能对样品进行了表征.测试结果表明,少量锰的掺杂并未改变Li3V2(PO4)3/C的单斜结构,Li3V1.94Mn0.09(PO4)3中的Mn和V分别以+2和+3价存在,其颗粒类似球形,直径比较均匀且小于200 nm,并表现出良好的电化学性能.在0.1C倍率和3.0～4.8 V电压内,该样品的首次充、放电容量分别为182.1和168.8 mAh/g,放电效率高达92.69%,而且100次循环后,其放电比容量仍是首次放电容量的77.4%.     

Ti掺杂β-Ga2O3电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Ti 掺杂β-Ga₂O₃系统的电子结构和光学性质。计算结果表明,Ti 替代八面体的Ga(2)时系统形成能最低,容易在实验上合成;Ti掺杂在导带底附近引入了浅施主能级,极大地提高了β-Ga₂O₃系统的导电性。Ti 掺杂时稳定体系倾向于自旋极化态,且费米面处自旋极化率接近100%。光学性质的计算结果显示,Ti 掺杂β-Ga₂O₃是极具潜力的n型紫外透明的半导体。     

第一性原理研究α-Al2O3的电子结构、力学性质和德拜温度

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势的第一性原理方法,利用CASTEP软件计算了α-Al_2O_3的电子结构、力学性质和德拜温度。计算结果显示优化后的晶格常数与实验数据基本一致。能带结构图表明α-Al_2O_3具有典型的离子化合物特征,禁带宽度为5.964eV。计算的态密度表明α-Al_2O_3的下价带在-19.426~-15.370eV之间,态密度主要由O的2s轨道电子贡献;上价带在-7.178~0.711eV之间,态密度主要由O的2p轨道电子贡献;导带在5.698~14.977eV之间,态密度主要由Al的3s和3p轨道电子贡献。差分电荷密度分布表明α-Al_2O_3中存在离子键和共价键。力学性质的计算结果表明α-Al_2O_3的体积模量为224.885GPa,剪切模量为144.687GPa,弹性模量为357.411GPa,泊松比为0.235,各向异性指数为0.220;α-Al_2O_3剪切模量与体积模量的比值为0.643,表明α-Al_2O_3具有脆性。α-Al_2O_3的德拜温度为974.834K。     

核壳结构MnCO3@Mn3O4球形颗粒的制备及其电化学性能研究

以硫酸锰为原料合成出球状MnCO3作为前驱体,加入KMnO4,通过化学沉淀法成功制备出粒径范围在0.5～1.0μm的核壳结构MnCO3@Mn3O4球形颗粒。通过对比实验发现,MnCO3、KMnO4和盐酸的添加量对最终产物的形成有很大的影响。电化学性能测试表明,核壳结构MnCO3@Mn3O4球形颗粒兼有双电层电容和赝电容特性,其最大比电容可以达到156F/g。